大跨度橋梁分級(jí)箱梁渦激共振試驗(yàn)研究

大跨度橋梁分級(jí)箱梁渦激共振試驗(yàn)研究

中央開槽試驗(yàn)和響應(yīng)分析研究隨著電纜連接橋徑的增加，通風(fēng)穩(wěn)定性已成為最大的挑戰(zhàn)。根據(jù)現(xiàn)有的研究經(jīng)驗(yàn),傳統(tǒng)閉口箱梁懸索橋的空氣動(dòng)力極限跨徑停留在1600m左右,而突破這一極限跨徑最可行的方法就是采用顫振性能更為優(yōu)越的分體箱梁來(lái)替代閉口箱梁。此外,在單纜索平面布置或者采用獨(dú)柱式橋塔的大跨度纜索承重橋梁中,采用中央有開槽的閉口箱梁還能夠更有利于結(jié)構(gòu)的總體布置,提高整體設(shè)計(jì)的合理性。因此,近年來(lái)我國(guó)已建成了包括浙江舟山連島工程西堠門大橋、青島海灣大橋工程大沽河航道橋、上海崇明越江通道工程長(zhǎng)江大橋、香港昂船洲大橋等多座采用分體箱梁的大跨度纜索承重橋梁。然而,作為一種新型橋梁主梁斷面形式,分體箱梁的空氣動(dòng)力性能還處于探索研究階段。國(guó)內(nèi)外研究成果表明,盡管并非對(duì)任何斷面形式的主梁施加中央開槽都能提高顫振臨界風(fēng)速,但是對(duì)扁平閉口箱梁斷面進(jìn)行中央開槽一般能提高橋梁的顫振穩(wěn)定性能;中央開槽氣動(dòng)控制措施對(duì)顫振穩(wěn)定性能的提升效果同開槽寬度緊密相關(guān),但對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)的判斷上存在明顯分歧。盡管存在這些分歧,不過(guò),這些研究足以證明分體箱梁相比傳統(tǒng)閉口箱梁具有明顯更為優(yōu)越的顫振穩(wěn)定性能。但中央開槽的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致斷面氣流繞流流態(tài)特別是旋渦生成及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律更為復(fù)雜,這提示我們需要更為關(guān)注分體箱梁的渦激共振性能,而在分體箱梁的試驗(yàn)研究中也確實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了渦激共振現(xiàn)象的存在:Larose等在昂船洲大橋的高低雷諾數(shù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該橋主梁所采用的分體箱梁存在渦振現(xiàn)象;筆者研究團(tuán)隊(duì)在西堠門大橋分體箱梁加勁梁的不同雷諾數(shù)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了不同振幅的渦激共振;Larsen等進(jìn)行了有無(wú)導(dǎo)流板時(shí)分體箱梁的渦激試驗(yàn)對(duì)比;劉高等對(duì)分體式鈍體斷面箱梁提出了氣動(dòng)翼板的渦振控制措施,并研究了該措施對(duì)顫振穩(wěn)定性和渦振控制效果的影響;Laima等在靜力和動(dòng)力條件下分體箱梁的風(fēng)洞試驗(yàn)中都觀測(cè)到渦振現(xiàn)象并對(duì)比了交叉桿和蓋板的渦振控制措施效果;王騎等對(duì)嘉紹大橋分體箱梁分別進(jìn)行了大尺度和小尺度的渦振試驗(yàn),并驗(yàn)證了導(dǎo)流板和抑振板的制振效果。本文以國(guó)內(nèi)已建成的3座采用分體箱梁的大跨度橋梁為背景,通過(guò)大尺度節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)分體箱梁的渦激共振性能進(jìn)行研究,基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)分析了引起大幅度渦振的可能原因,根據(jù)渦振發(fā)生原因提出多種氣動(dòng)控制措施以實(shí)現(xiàn)渦振控制,并比選優(yōu)化出最佳控制方法。1種單體箱梁的特性基于本文研究目的,選取3座不同橋型、不同跨徑類別的分體箱梁纜索承重橋梁作為研究背景,利用目前橋梁渦振試驗(yàn)研究中較為先進(jìn)、可靠的大尺度節(jié)段模型和粒子圖像測(cè)速方法研究3種分體箱梁的渦激共振性能,并嘗試分析其渦振發(fā)生原因。1.13結(jié)構(gòu)斷面的確定浙江舟山連島工程西堠門大橋是一座兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋,總體跨徑布置為578m+1650m+485m=2713m(圖1),創(chuàng)造了鋼箱梁懸索橋的跨徑世界紀(jì)錄。在西堠門大橋建設(shè)之前,當(dāng)時(shí)世界上跨徑最大的兩座鋼箱梁懸索橋主跨1624m的丹麥大海帶橋和1490m的中國(guó)潤(rùn)揚(yáng)大橋的顫振臨界風(fēng)速分別為62m/s和63m/s,對(duì)于閉口鋼箱梁懸索橋而言1650m的跨度幾乎已達(dá)空氣動(dòng)力極限,而西堠門大橋的氣動(dòng)穩(wěn)定要求更為嚴(yán)格,顫振檢驗(yàn)風(fēng)速達(dá)到78.74m/s。所以,通過(guò)抗風(fēng)專題研究和數(shù)輪比選及優(yōu)化,最后選定了如圖2所示的總寬36m、槽寬6m的分體箱梁作為加勁梁(斷面A),斷面底部靠近中央開槽出作了45°小范圍切角處理。上海崇明越江通道上海長(zhǎng)江大橋是一座兩塔三跨雙索面斜拉橋,主跨730m,采用了簡(jiǎn)潔的獨(dú)柱式橋塔,其立面布置如圖3所示?？倢?1m、槽寬10m的分體箱梁被采納為主梁(斷面B),以承擔(dān)包括兩條輕軌在內(nèi)的八道交通荷載(圖4)。與斷面A不同的是,底部近中央槽的切角范圍較大。青島海灣大橋工程全長(zhǎng)41.58km,其中跨越主航道之一的大沽河航道橋?yàn)橹骺?60m的獨(dú)柱塔居中索面自錨式懸索橋,其立面布置如圖5所示,采用了總寬47m、槽寬11m的分體箱梁(圖6)作為主橋加勁梁(斷面C)。不同于斷面A和B的是,本斷面底部近中央槽未進(jìn)行切角處理。1.2主梁氣動(dòng)明確影響風(fēng)經(jīng)過(guò)橋梁主梁時(shí)氣流一般都會(huì)出現(xiàn)分離,并在尾跡中形成有規(guī)律的旋渦。伴有旋渦交替脫落的分離流動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓也隨著變化,在一定條件下就會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振現(xiàn)象,這就是渦激共振。渦激共振因規(guī)律性的旋渦脫落而產(chǎn)生,而振動(dòng)的結(jié)構(gòu)反過(guò)來(lái)又影響旋渦的形成和脫落,因此渦激共振同時(shí)具有強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的性質(zhì),是一種自限幅的風(fēng)致振動(dòng)。在頻率、質(zhì)量、阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,橋梁渦振性能主要取決于其氣動(dòng)外形。主梁氣動(dòng)外形的細(xì)微變化都可能會(huì)引起旋渦脫落位置、頻率、運(yùn)動(dòng)軌跡等發(fā)生改變,進(jìn)而影響其渦激共振響應(yīng)。相比通常的小尺度節(jié)段模型,幾何縮尺比一般大于1∶30的大尺度節(jié)段模型可以更精確地模擬結(jié)構(gòu)表面的細(xì)部氣動(dòng)外形,如欄桿、檢修軌道、導(dǎo)流板等可能影響旋渦生成、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的部件,從而更真實(shí)地反映實(shí)橋結(jié)構(gòu)的渦振性能。此外,雷諾數(shù)也可能在不同程度上影響橋梁渦振性能,大尺度節(jié)段模型放大了模型尺寸,在增大幾何縮尺比的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)更高的風(fēng)速比,因此得以提高試驗(yàn)雷諾數(shù),使其相比小尺度模型試驗(yàn)更接近于實(shí)橋情況?；谝陨显?針對(duì)前述的3種分體箱梁均開展了大尺度節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何外形、質(zhì)量、剛度和雷諾數(shù)條件方面的考慮,為斷面A選取了1∶20、斷面B和C選取了1∶25的幾何縮尺比。模型通過(guò)兩根勁性鋼梁由8根大剛度彈簧支承在同濟(jì)大學(xué)TJ-3風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)特制的支架上,鋼梁、彈簧和支架等均內(nèi)置于兩面定制的端墻內(nèi),端墻外形經(jīng)過(guò)導(dǎo)流設(shè)計(jì)以保證通道內(nèi)的氣流紊流度低于2%。分體箱梁大尺度節(jié)段模型及其支承系統(tǒng)如圖7所示。1.3結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)豎向和扭轉(zhuǎn)豫共振響應(yīng)的影響在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi),斷面A既發(fā)生了豎向自由度、也發(fā)生了扭轉(zhuǎn)自由度方向的渦激共振現(xiàn)象,發(fā)生渦激共振時(shí)的斯特羅哈數(shù)和雷諾數(shù)分別為0.1083和91,035。+3°風(fēng)攻角下3種結(jié)構(gòu)阻尼比條件對(duì)應(yīng)的豎向和扭轉(zhuǎn)渦激共振響應(yīng)如圖8所示,從圖中可以清楚地看到結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)渦振響應(yīng)的影響相當(dāng)顯著。與斷面A不同,斷面B的最大渦振響應(yīng)風(fēng)攻角轉(zhuǎn)變?yōu)?3°,但同樣發(fā)生了較大振幅(h/D)的豎向和扭轉(zhuǎn)渦激共振,發(fā)生渦激共振時(shí)的斯特羅哈數(shù)和雷諾數(shù)分別為0.1230和90,768。斷面C未發(fā)生顯著的扭轉(zhuǎn)渦激共振,然而豎向渦激共振振幅較大,相應(yīng)的斯特羅哈數(shù)和雷諾數(shù)分別為0.1434和36,480。表1列出了3種分體箱梁0.3%結(jié)構(gòu)阻尼比條件3種風(fēng)攻角下的最大無(wú)量綱渦振振幅,可以看到盡管存在斷面外側(cè)和內(nèi)側(cè)角度、切角等的差異,但各種分體箱梁無(wú)一例外都發(fā)生了振幅較大的渦激共振。1.4piv測(cè)試結(jié)果粒子圖像測(cè)速技術(shù)(ParticleImageVelocimetry,簡(jiǎn)稱PIV)的發(fā)展成熟使得定量測(cè)量橋梁斷面周圍整體流場(chǎng)成為可能。在同濟(jì)大學(xué)TJ-4風(fēng)洞中建立了一套由雙腔Nd:YAG激光發(fā)生器和CCD高速數(shù)碼相機(jī)組成的PIV系統(tǒng)。圖9顯示了通過(guò)該P(yáng)IV系統(tǒng)測(cè)得的斷面A中央槽內(nèi)的速度場(chǎng)圖,包括平均速度場(chǎng)和瞬時(shí)速度場(chǎng),二者都表明分別位于前方下側(cè)和后方上側(cè)的兩個(gè)大尺度旋渦幾乎占滿了整個(gè)槽內(nèi)空間,特別是在梁高方向上,單個(gè)旋渦尺度接近梁高的一半。根據(jù)結(jié)構(gòu)渦振性能與繞流旋渦生成、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的密切聯(lián)系可以判斷,PIV測(cè)試結(jié)果所顯示的分體箱梁中央槽內(nèi)大尺度旋渦的存在是其與傳統(tǒng)閉口箱梁氣流繞流特征最大的不同所在,這些交替形成的大尺度旋渦同主梁后側(cè)箱體碰撞會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的周期性作用力,當(dāng)作用力的頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率一致時(shí)即可能激發(fā)振幅較大的渦激共振?？紤]到這些大尺度旋渦位于整個(gè)斷面的居中位置,其與結(jié)構(gòu)的相互作用更易于激發(fā)豎向形態(tài)的渦激共振。2顫振發(fā)生原因分析渦激共振雖然不像顫振那樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀滅性破壞,但是橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)渦激共振的風(fēng)速一般比較低,出現(xiàn)渦激共振的概率比顫振大得多,大振幅的渦激共振不僅會(huì)使人產(chǎn)生不適,也會(huì)影響行車安全和結(jié)構(gòu)的疲勞性能。因此研究合理有效的控制措施避免渦激共振的出現(xiàn)或?qū)⑵湔穹鶞p小到可接受范圍之內(nèi),對(duì)橋梁施工階段和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的抗風(fēng)安全都具有重要的意義,而控制措施的合理與否就在于是否能準(zhǔn)確把握渦振的發(fā)生原因。基于1.4節(jié)對(duì)分體箱梁渦振發(fā)生原因的分析,提出了以下3種氣動(dòng)控制措施。2.1底內(nèi)側(cè)倒角的影響在箱梁表面的適當(dāng)位置增設(shè)導(dǎo)流板,可以使得經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板和梁體間狹小通道壓縮后的氣流速度得到提高,沖出導(dǎo)流板時(shí)這股高速射出的氣流將可能打碎結(jié)構(gòu)表面形成的旋渦,從而抑制渦振的發(fā)生。通過(guò)對(duì)多個(gè)導(dǎo)流板設(shè)置位置的比選,斷面A的最優(yōu)導(dǎo)流板設(shè)置位置為箱梁底內(nèi)側(cè)倒角處(靠近中央槽),如圖10所示,其原理就在于利用高速氣流來(lái)干擾中央槽內(nèi)大尺度旋渦的生成和運(yùn)動(dòng)。0°風(fēng)攻角下0.3%結(jié)構(gòu)阻尼比斷面A設(shè)置導(dǎo)流板前后的渦激共振響應(yīng)顯示于圖11中。設(shè)置梁底內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板后扭轉(zhuǎn)渦振得到了很有效的控制,豎向渦振也僅出現(xiàn)在0°風(fēng)攻角下,但此時(shí)最大渦振振幅仍然不小,振幅降低率為23%。斷面B和C的導(dǎo)流板渦振控制效果與斷面A比較相似,設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)扭轉(zhuǎn)渦振的控制效果更好,而對(duì)豎向渦振的控制效果一般。相對(duì)而言,梁底內(nèi)側(cè)未倒角的斷面C上增設(shè)導(dǎo)流板對(duì)豎向渦振的控制效果最佳。表2列出了3種分體箱梁0.3%結(jié)構(gòu)阻尼比條件下增設(shè)導(dǎo)流板前后3種風(fēng)攻角下的無(wú)量綱最大渦振振幅,可以看到導(dǎo)流板對(duì)分體箱梁的渦振控制效果既與渦激共振模態(tài)相關(guān),也隨原始斷面外側(cè)風(fēng)嘴角度、內(nèi)側(cè)梁底倒角形式等氣動(dòng)外形的不同而變化。2.2不同隔傳帶透風(fēng)率對(duì)渦流擾動(dòng)的控制效果將一塊平板覆蓋在分體箱梁中央槽的結(jié)構(gòu)表面阻隔氣流,可以顯著改變氣流的流動(dòng)路徑,從而有可能減少結(jié)構(gòu)表面、干擾中央槽內(nèi)大尺度旋渦的形成,因此可能成為一種控制渦激振動(dòng)的有效氣動(dòng)措施。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明,將分體箱梁斷面中央槽頂板封閉以后,渦激振動(dòng)幾乎完全消失,然而這樣也就失去了采用分體箱梁提高結(jié)構(gòu)顫振性能的初衷。當(dāng)然也可以采用某種機(jī)械措施,當(dāng)風(fēng)速進(jìn)入鎖定風(fēng)速區(qū)間時(shí)自動(dòng)將槽封閉,當(dāng)風(fēng)速超出鎖定風(fēng)速區(qū)間時(shí)自動(dòng)將槽開啟,這樣就既可以降低渦激振動(dòng)又可以保證顫振性能。但這種辦法的風(fēng)險(xiǎn)和成本太高,而且不便于養(yǎng)護(hù)和維修。一種可行的折中方法是采用部分通風(fēng)的隔柵板以提供阻隔氣流、干擾旋渦形成的作用,可以稱為隔渦板,如圖12所示。研究比較了不同隔渦板透風(fēng)率對(duì)其渦振控制效果的影響,斷面A詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果列于表3中?？梢钥吹?隨著隔渦板透風(fēng)率的降低,即氣流阻隔率的提高,最大豎向和扭轉(zhuǎn)渦振振幅均單調(diào)下降。值得注意的是,相比導(dǎo)流板,隔渦板對(duì)豎向渦振的控制效果更好,而在扭轉(zhuǎn)渦振的控制效果上則較為遜色。2.3風(fēng)障設(shè)置姿態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)速較高區(qū)域的跨海大橋出于行車安全的需要,常常在橋面設(shè)置擋風(fēng)風(fēng)障。由于風(fēng)障的設(shè)置會(huì)在很大程度上改變分體箱梁上表面的氣流繞流流態(tài),進(jìn)而干擾中央槽內(nèi)氣流流向和旋渦形成,因此也可能成為有效的渦振氣動(dòng)控制措施。不過(guò)考慮到設(shè)置風(fēng)障后主梁氣動(dòng)阻力系數(shù)有顯著增加,橋梁結(jié)構(gòu)難以承受,因此可采用可變姿態(tài)的風(fēng)障,需要擋風(fēng)時(shí)將風(fēng)障處于直立狀態(tài),滿足行車安全性;風(fēng)速超過(guò)限值時(shí)將風(fēng)障處于水平狀態(tài),降低主梁所承受的風(fēng)荷載,保證橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全性。安裝在斷面A上的可調(diào)風(fēng)障如圖13所示。不同設(shè)置姿態(tài)的可調(diào)風(fēng)障對(duì)分體箱梁斷面A的渦振控制效果如表4所示?？烧{(diào)風(fēng)障處于豎直姿態(tài)時(shí),未觀測(cè)到明顯的豎向和扭轉(zhuǎn)渦激共振現(xiàn)象,其渦振控制效果非常好。可調(diào)風(fēng)障處于水平姿態(tài)時(shí),在低風(fēng)速區(qū)仍發(fā)生了明顯的豎向和扭轉(zhuǎn)渦激共振,不過(guò)考慮到風(fēng)障調(diào)為水平姿態(tài)時(shí)的風(fēng)速遠(yuǎn)高于這些低風(fēng)速區(qū)間,因此并不會(huì)影響可調(diào)風(fēng)障的整體渦振控制效果。綜合來(lái)看,可調(diào)風(fēng)障是分體箱梁最有效的一種渦振氣動(dòng)控制措施。3氣動(dòng)控制策施通過(guò)對(duì)大跨度分體箱梁橋梁渦激共振性能的研究,可